CN114465471A - Dc-dc转换器及其控制方法 - Google Patents

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张智雄
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Abstract

公开一种DC‑DC转换器，包括：第一电容器；第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，依次彼此串联连接在第一电容器的两端之间；第二电容器，两端分别连接到第一开关元件和第二开关元件的连接节点以及第三开关元件和第四开关元件的连接节点；以及控制器，被配置为基于通过感测施加到第一电容器的电压获得的第一感测电压和通过感测施加到第二电容器的电压获得的第二感测电压，判断过电压是否被施加到第一开关元件至第四开关元件中的每一个的两端。

Description

DC-DC转换器及其控制方法
技术领域
本公开涉及一种DC-DC转换器，更具体地，涉及一种包括向开关元件的两端施加过电压的飞跨电容器(flying capacitor)的DC-DC转换器及其控制方法。
背景技术
通常，DC-DC转换器是将输入的直流(DC)电压的大小改变为期望大小的装置，已广泛用于各种电气和电力领域。
利用半导体开关元件的接通/断开(on/off)操作来控制电感器的能量存储和能量释放的量以将一个DC电压转换为另一DC电压的传统DC-DC转换器的技术已众所周知。这种传统DC-DC转换器的缺点在于所应用的电感器的尺寸大且重量重。
为了解决电感器的尺寸和重量问题，已经开发了一种通过利用电容器的充电和放电来降低施加到电感器的电压以减小电感器提供的电感值来减小电感器的尺寸并降低重量的技术。
这样的技术之一包括串联连接多个开关元件并且包括在一些开关元件之间的飞跨电容器的DC-DC转换器。
包括传统提出的飞跨电容器的DC-DC转换器感测设置在输入端子或输出端子处的电容器和飞跨电容器的两端处的电压，以将飞跨电容器的附加施加电压控制在一定的水平。传统飞跨电容器可以通过感测每个电容器的电压来防止过电压被施加到相应电容器的两端。
然而，在包括传统飞跨电容器的DC-DC转换器中，不感测每个开关元件的两端处的电压，因此没有用于防止超过开关元件的耐压(internal voltage，内部电压)的过电压被施加到开关元件的单独的措施。
已经提供描述为相关技术的内容仅用于帮助理解本公开的背景，不应被视为对应于本领域普通技术人员已知的相关技术。
发明内容
本公开提供一种能够通过向包括飞跨电容器的转换器中设置的开关元件的两端施加过电压来预先防止开关元件损坏的DC-DC转换器及其控制方法。
根据本公开的形式，一种DC-DC转换器包括：第一电容器；第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，依次彼此串联连接在第一电容器的两端之间；第二电容器，两端分别连接到第一开关元件和第二开关元件的连接节点以及第三开关元件和第四开关元件的连接节点；以及控制器，基于通过感测施加到第一电容器的电压获得的第一感测电压和通过感测施加到第二电容器的电压获得的第二感测电压，判断过电压是否被施加到第一开关元件至第四开关元件中的每一个的两端。
控制器可以控制第二开关元件与第三开关元件的状态彼此互补，并基于第二感测电压与用于过电压判断的预设参考值的比较结果，判断过电压是否被施加到第二开关元件或第三开关元件的两端。
当第二感测电压大于用于过电压判断的预设参考值时，控制器可以判断过电压被施加到第二开关元件或第三开关元件的两端。
当判断第二感测电压大于用于过电压判断的预设参考值的次数超过预设次数时，控制器可以判断过电压被施加到第二开关元件或第三开关元件的两端。
控制器可以控制第一开关元件与第四开关元件的状态彼此互补，并基于从第一感测电压减去第二感测电压获得的差值与用于过电压判断的预设参考值的比较结果判断过电压是否被施加到第一开关元件或第四开关元件的两端。
当从第一感测电压减去第二感测电压获得的差值大于用于过电压判断的预设参考值时，控制器可以判断过电压被施加到第一开关元件或第四开关元件的两端。
当判断从第一感测电压减去第二感测电压获得的差值大于用于过电压判断的预设参考值的次数超过预设次数时，控制器可以判断过电压被施加到第一开关元件或第四开关元件的两端。
通过向在第一开关元件至第四开关元件的规格中限定的耐压施加预定裕度，用于过电压判断的预设参考值可以具有小于由规格限定的耐压的值。
在本公开的另一形式中，提供一种DC-DC转换器的控制方法，该DC-DC转换器包括：第一电容器；第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，依次彼此串联连接在第一电容器的两端之间；以及第二电容器，两端分别连接到第一开关元件和第二开关元件的连接节点以及第三开关元件和第四开关元件的连接节点，该控制方法包括：控制第二开关元件与第三开关元件的状态彼此互补；感测施加到第二电容器的电压；将通过感测施加到第二电容器的电压获得的感测电压与用于过电压判断的预设参考值进行比较；以及当感测电压大于用于过电压判断的预设参考值时，判断过电压被施加到第二开关元件或第三开关元件的两端。
在判断中，当判断第二预定电压大于用于过电压判断的预设参考值的次数超过预设次数时，可以判断过电压被施加到第二开关元件或第三开关元件的两端。
在本公开的另一形式中，提供一种DC-DC转换器的控制方法，该DC-DC转换器包括：第一电容器；第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，依次彼此串联连接在第一电容器的两端之间；以及第二电容器，两端分别连接到第一开关元件和第二开关元件的连接节点以及第三开关元件和第四开关元件的连接节点，该控制方法包括：控制第一开关元件与第四开关元件的状态彼此互补；感测施加到第一电容器的电压和施加到第二电容器的电压；将从通过感测施加到第一电容器的电压获得的第一感测电压减去通过感测施加到第二电容器的电压获得的第二感测电压获得的差值与用于过电压判断的预设参考值进行比较；以及当差值大于用于过电压判断的预设参考值时，判断过电压被施加到第一开关元件或第四开关元件的两端。
在判断中，当判断差值大于用于过电压判断的预设参考值的次数超过预设次数时，可以判断过电压被施加到第一开关元件或第四开关元件的两端。
通过向在第一开关元件至第四开关元件的规格中限定的耐压施加预定裕度，用于过电压判断的预设参考值可以具有小于由规格限定的耐压的值。
附图说明
图1是本公开的一种形式的DC-DC转换器的电路图。
图2至图4是示出本公开的一种形式的DC-DC转换器的电流流动状态的示图。
图5是示出当应用飞跨电容器的转换器被升压时开关元件的栅极电压的控制示例以及根据控制示例的电感器电流的变化的曲线图。
图6是示出本公开的一种形式的DC-DC转换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的各种形式的DC-DC转换器。
图1是本公开的一些形式的DC-DC转换器的电路图。
参照图1，本公开的一些形式的DC-DC转换器可以是在第一端子T11和第二端子T12之间具有电池并将电池的电压Vin升压以将电压Vin输出作为第三端子T21和第四端子T22之间的电压VDC的转换器。例如，负载可以连接在第三端子T21和第四端子T22之间。
更详细地，本公开的一些形式的DC-DC转换器可以包括：第一电容器CDC，两端分别连接到第三端子T21和第四端子T22；第一开关元件S1、第二开关元件S2、第三开关元件S3和第四开关元件S4，依次彼此串联连接在第一电容器CDC的两端之间；第二电容器CFC，两端分别连接到第一开关元件S1和第二开关元件S2的连接节点以及第三开关元件S3和第四开关元件S4的连接节点；电感器L，一端连接到第二开关元件S2和第三开关元件S3的连接节点；以及控制器10，控制第一开关元件S1至第四开关元件S4的接通/断开(on/off)状态。
第一电容器CDC是一种连接在第三端子T21和第四端子T22之间的平滑电容器。虽然图1未示出，但附加的平滑电容器可以连接在第一端子T11和第二端子T12之间。
第一开关元件S1至第四开关元件S4可以从第一电容器CDC的一端到另一端依次串联连接。第一开关元件S1至第四开关元件S4中的每一个可以实现为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，并且第一开关元件S1至第四开关元件S4的接通/断开状态可以随着控制器10的接通/断开(on/off)控制信号输入到IGBT的栅极而被控制。显然，第一开关元件S1至第四开关元件S4可以实现为本领域已知的能够替代IGBT的各种开关元件。
作为飞跨电容器的第二电容器CFC的两端可以分别连接到第一开关元件Sl和第二开关元件S2的连接节点以及第三开关元件S3和第四开关元件S4的连接节点。
尽管未示出，但是本公开的一些形式的DC-DC转换器可以包括用于感测通过控制器10控制开关元件Sl至S4的接通/断开的计算所需的电路中的信息的各种传感器。首先，可以设置用于感测第一端子T11和第二端子T12之间的电压Vin或第三端子T21和第四端子T22之间的电压VDC的电压传感器，可以设置用于感测第二电容器CFC的电压VFC的电压传感器，并且可以设置用于感测流经电感器L的电流的大小的电流传感器。由电压传感器和电流传感器感测的感测电压和感测电流可以被供应到控制器10。
控制器10可以接收与转换器的输出电压相对应的第三端子T21和第四端子T22之间的电压，即通过感测第一电容器CDC两端处的电压VDC获得的第一感测电压。
此外，控制器10可以将第一感测电压与第一感测电压的第一电压指令进行比较以计算误差。此处，第一电压指令可以是由上级控制器(high-level controller)等设置的DC-DC转换器要输出的电压值。
此外，控制器10可以接收通过感测施加到作为飞跨电容器的第二电容器CFC的电压VFC获得的感测电压，并将接收到的电压VFC与第二电压指令进行比较以计算误差。此处，第二电压指令是由上级控制器等预设的值，并且可以是与第一电容器CDC电压的大约1/2对应的值。
图2至图4是示出本公开的一些形式的DC-DC转换器的电流流动状态的示图。
图2示出第一开关元件S1和第三开关元件S3接通且第二开关元件S2和第四开关元件S4断开的第一状态。在第一状态下，将通过从电容器CDC的电压VDC减去飞跨电容器CFC的电压VFC获得的值的电压施加到电感器L和开关元件S2或S3的连接节点。
图3示出第三开关元件S3和第四开关元件S4接通且第一开关元件S1和第二开关元件S2断开的第二状态。在第二状态下，电压不被施加到电感器L和开关元件S2或S3的连接节点。
图4示出第二开关元件S2和第四开关元件S4接通且第一开关元件S1和第三开关元件S3断开的第三状态。在第三状态下，飞跨电容器CFC的整个电压VFC被施加到电感器L和开关元件S2或S3的连接节点。
图5是示出当应用飞跨电容器的转换器被升压时开关元件的栅极电压的控制示例以及根据控制示例的电感器电流的变化的曲线图。
在图5中，开关元件S1至S4的开关周期为“2*Ts”，并且流经电感器L的电流IL根据每个开关元件的接通/断开状态以“Ts”的周期重复增大和减小。
参照图5，在区间1，供应到第一开关元件S1的栅极的栅极信号G1处于高状态，供应到第二开关元件S2的栅极的栅极信号G2处于低状态，供应到第三开关元件S3的栅极的栅极信号G3处于高状态，供应到第四开关元件S4的栅极的栅极信号G4处于低状态。也就是说，区间1可以显示图2所示的第一开关元件S1和第三开关元件S3接通且第二开关元件S2和第四开关元件S4断开的第一状态。
随后，在区间2，供应到第一开关元件S1的栅极的栅极信号G1处于低状态，供应到第二开关元件S2的栅极的栅极信号G2处于低状态，供应到第三开关元件S3的栅极的栅极信号G3处于高状态，供应到第四开关元件S4的栅极的栅极信号G4处于高状态。也就是说，区间2可以显示图3所示的第三开关元件S3和第四开关元件S4接通且第一开关元件S1和第二开关元件S2断开的第二状态。
随后，在区间3，供应到第一开关元件S1的栅极的栅极信号Gl处于低状态，供应到第二开关元件S2的栅极的栅极信号G2处于高状态，供应到第三开关元件S3的栅极的栅极信号G3处于低状态，供应到第四开关元件S4的栅极的栅极信号G4处于高状态。也就是说，区间3可以显示图4所示的第二开关元件S2和第四开关元件S4接通且第一开关元件S1和第三开关元件S3断开的第三状态。
区间4可以再次显示图3所示的第三开关元件S3和第四开关元件S4接通、第一开关元件S1和第二开关元件S2断开的第二状态。
在区间2和区间4，仅利用电感L和输入电压Vin形成电流回路，并且电感L存储能量，从而电流IL逐渐增大。在区间1和区间3，电压VDC和VFC施加到电容器CDC和CFC，并释放电感中存储的能量，从而减小电流IL。
当包括飞跨电容器的转换器被升压时，飞跨电容器CFC的电压被控制为输出端子的电压VDC的1/2倍，如图5所示，第一开关元件S1和第四开关元件S4彼此互补地操作，第二开关元件S2和第三开关元件S3彼此互补地操作。此外，当控制包括飞跨电容器的转换器的升压时，可以控制开关元件S1至S4以按照该顺序重复第一状态、第二状态、第三状态和第二状态。
图5示出当输出电压VDC是输入电压Vin的两倍以上，即升压比等于或大于200％时的开关元件的控制状态的示例。即使升压比小于200％，仅开关元件的开关状态改变，同样可以适用于飞跨电容器CFC的电压被控制为输出端子的电压VDC的1/2倍、第一开关元件S1和第四开关元件S4彼此互补地操作、第二开关元件S2和第三开关元件S3彼此互补地操作的情况。
在图5的示例中，低状态栅极信号G2被施加到第二开关元件S2以使得第二开关元件S2断开。然而，如图5中阴影所示，当由于外部噪声或控制错误而施加高状态栅极信号时，第二开关元件S2被短路，而不是开路，这样在整个电路中，第一开关元件S1至第三开关元件S3短路，而第四开关元件S4开路。
在这种情况下，当输出电压VDC被施加到第四开关元件S4的两端以超过开关元件的耐压时，第四开关元件S4损坏。
本公开的各种形式提供一种能够解决这种通过在应用飞跨电容器的转换器中施加超过耐压的电压而损坏开关元件的问题的措施。
图6是示出本公开的一些形式的DC-DC转换器的控制方法的流程图。
本公开的一些形式的DC-DC转换器的控制方法可以由包括在DC-DC转换器中的控制器10来执行。
参照图6，本公开的一些形式的DC-DC转换器的控制方法可以基于通过感测施加到作为飞跨电容器的第二电容器CFC的电压VFC获得的感测电压以及通过感测施加到设置在输出端子处的第一电容器CDC的电压VDC获得的感测电压来执行。
首先，通过感测施加到第二电容器CFC的电压VFC获得的感测电压可用于保护第二开关元件S2和第三开关元件S3。
第二开关元件S2和第三开关元件S3是与第二电容器CFC构成闭环的开关。基于基尔霍夫电压定律，分别施加到第二开关元件S2和第三开关元件S3的电压之和具有与施加到第二电容器CFC的电压VFC相同的值。
由于第二开关元件S2和第三开关元件S3彼此互补地操作，因此如果第二开关元件S2短路并且施加到第二开关元件S2的电压为0，则施加到第三开关元件S3的电压是与施加到第二电容器CFC的电压VFC相同的值。类似地，如果第三开关元件S3短路并且施加到第三开关元件S3的电压为0，则施加到第二开关元件S2的电压是与施加到第二电容器CFC的电压VFC相同的值。
因此，可以基于施加到第二电容器CFC的电压VFC来保护第二开关元件S2和第三开关元件S3。
也就是说，可以感测施加到第二电容器CFC的电压VFC(S11)，并且当感测电压大于用于过电压判断的预设参考值时进行计数(S12)。当判断感测电压大于用于过电压判断的预设参考值的次数超过预设次数时(S13)，判断过电压被施加到第二开关元件S2或第三开关元件S3的两端(S14)。由于这种过电压的施加可能是由于转换器系统中的开关元件的控制或过度的噪声产生而引起的，因此步骤S14可以利用判断转换器系统本身中已经发生故障来代替。
当在步骤S14中判断已经发生故障时，控制器10可以使转换器的所有开关元件S1至S4断开以停止转换器的操作。
在这种情况下，通过向与开关元件的规格相对应的耐压施加预定裕度，用于过电压判断的预设参考值可以具有比规格中限定的耐压小的值。这是为了通过施加比开关元件的耐压大的电压来预先防止开关元件损坏，从而可以判断向开关施加比具有比耐压小的值的用于过电压判断的参考值大的电压的次数，以预先防止施加比开关元件的耐压大的电压的情况。
接下来，通过感测施加到第二电容器CFC的电压VFC和转换器的输出端子的电压VDC获得的感测电压可以用于保护第一开关元件S1和第四开关元件S4。
通过第一开关元件S1和第四开关元件S4、第二电容器CFC和作为输出端子电容器的第一电容器CDC形成闭环。因此，基于基尔霍夫电压定律，施加到第一开关元件S1和第四开关元件S4的电压之和可以是与施加到第一电容器CDC的电压VDC和施加到第二电容器CFC的电压VFC之差相同的值。
由于第一开关元件S1和第四开关元件S4彼此互补地操作，所以施加到第一开关元件Sl的电压和施加到第四开关元件S4的电压中的每一个的最大值是施加到第一电容器CDC的电压VDC和施加到第二电容器CFC的电压VFC之差。
因此，基于施加到第一电容器CDC的电压VDC和施加到第二电容器CFC的电压VFC之差来保护第一开关元件S1和第四开关元件S4。
也就是说，感测施加到第一电容器CDC的电压VDC和施加到第二电容器CFC的电压VFC中的每一个(S21)，并且当通过感测施加到第一电容器CDC的电压VDC获得的感测电压和通过感测施加到第二电容器CFC的电压VFC获得的感测电压之差大于用于过电压判断的预设参考值时进行计数(S22)。当判断感测电压之差大于用于过电压判断的预设参考值的次数超过预设次数时(S23)，判断转换器系统本身已经发生故障(S24)。
当在步骤S24中判断已经发生故障时，控制器10可以使转换器的所有开关元件S1至S4断开以停止转换器的操作。
如上所述，在本公开的一些形式中，当操作应用飞跨电容器的转换器时，可以基于通过设置在输出端子电容器和飞跨电容器中的电压传感器感测的感测电压，通过感测施加到每个开关元件的两端的过电压，来预先防止开关元件损坏。
根据DC-DC转换器及其控制方法，当操作应用飞跨电容器的转换器时，可以基于通过设置在输出端子电容器和飞跨电容器中的电压传感器感测的感测电压，通过感测施加到每个开关元件的两端的过电压，来预先防止开关元件损坏。
本公开的效果不限于上述效果，并且本文中未描述的其它效果对于本领域技术人员而言将从以上描述变得显而易见。
虽然已经针对特定形式显示和描述了本公开，但是对于本领域的普通技术人员来说将显而易见的是，在不脱离由所附权利要求书限定的本公开的思想和范围的情况下可以对本公开进行各种修改和改变。

Claims (15)

1.一种DC-DC转换器，包括：
第一电容器；
第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，依次彼此串联连接在所述第一电容器的两端之间；
第二电容器，两端分别连接到所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接节点以及所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接节点；以及
控制器，基于通过感测施加到所述第一电容器的电压获得的第一感测电压和通过感测施加到所述第二电容器的电压获得的第二感测电压，判断过电压是否被施加到所述第一开关元件至所述第四开关元件中的每一个的两端。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，
所述控制器被配置为：
控制所述第二开关元件与所述第三开关元件的状态互补；以及
基于所述第二感测电压与预设参考值的比较结果，判断所述过电压是否被施加到所述第二开关元件或所述第三开关元件的两端。
3.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中，
所述控制器被配置为：
当所述第二感测电压大于所述预设参考值时，判断所述过电压被施加到所述第二开关元件或所述第三开关元件的两端。
4.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中，
所述控制器被配置为：
当判断所述第二感测电压大于所述预设参考值的次数超过预设次数时，判断所述过电压被施加到所述第二开关元件或所述第三开关元件的两端。
5.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，
所述控制器被配置为：
控制所述第一开关元件与所述第四开关元件的状态互补；以及
基于从所述第一感测电压减去所述第二感测电压获得的差值与预设参考值的比较结果判断所述过电压是否被施加到所述第一开关元件或所述第四开关元件的两端。
6.根据权利要求5所述的DC-DC转换器，其中，
所述控制器被配置为：
当从所述第一感测电压减去所述第二感测电压获得的差值大于所述预设参考值时，判断所述过电压被施加到所述第一开关元件或所述第四开关元件的两端。
7.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中，
所述控制器被配置为：
当判断从所述第一感测电压减去所述第二感测电压获得的差值大于所述预设参考值的次数超过预设次数时，判断所述过电压被施加到所述第一开关元件或所述第四开关元件的两端。
8.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中，
所述预设参考值小于通过向由所述第一开关元件至所述第四开关元件限定的耐压施加预定裕度的所述耐压。
9.根据权利要求5所述的DC-DC转换器，其中，
所述预设参考值小于通过向由所述第一开关元件至所述第四开关元件限定的耐压施加预定裕度的所述耐压。
10.一种DC-DC转换器的控制方法，所述DC-DC转换器包括：第一电容器；第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，依次彼此串联连接在所述第一电容器的两端之间；以及第二电容器，两端分别连接到所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接节点以及所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接节点，所述控制方法包括：
控制所述第二开关元件与所述第三开关元件的状态互补；
感测施加到所述第二电容器的电压；
将通过感测施加到所述第二电容器的电压获得的感测电压与用于过电压判断的预设参考值进行比较；以及
当所述感测电压大于所述预设参考值时，判断过电压被施加到所述第二开关元件或所述第三开关元件的两端。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其中，
判断所述过电压被施加包括：
当判断所述感测电压大于所述预设参考值的次数超过预设次数时，判断所述过电压被施加到所述第二开关元件或所述第三开关元件的两端。
12.根据权利要求10所述的控制方法，其中，
所述预设参考值小于通过向由所述第一开关元件至所述第四开关元件限定的耐压施加预定裕度的所述耐压。
13.一种DC-DC转换器的控制方法，所述DC-DC转换器包括：第一电容器；第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件，依次彼此串联连接在所述第一电容器的两端之间；以及第二电容器，两端分别连接到所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接节点以及所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接节点，所述控制方法包括：
控制所述第一开关元件与所述第四开关元件的状态互补；
感测施加到所述第一电容器的电压和施加到所述第二电容器的电压；
将从通过感测施加到所述第一电容器的电压获得的第一感测电压减去通过感测施加到所述第二电容器的电压获得的第二感测电压获得的差值与用于过电压判断的预设参考值进行比较；以及
当所述差值大于所述预设参考值时，判断过电压被施加到所述第一开关元件或所述第四开关元件的两端。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其中，
判断所述过电压被施加包括：
当判断所述差值大于所述预设参考值的次数超过预设次数时，判断所述过电压被施加到所述第一开关元件或所述第四开关元件的两端。
15.根据权利要求13所述的控制方法，其中，
所述预设参考值小于通过向由所述第一开关元件至所述第四开关元件限定的耐压施加预定裕度的所述耐压。
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